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1、实用图像处理方法及软件实现,讲授:周木春,课件部分内容来自网络,一并致谢,人类通过眼、耳、鼻、舌、身 接受信息,感知世界。约有75% 的信息是通过视觉系统获取的。 数字图象处理是用数字计算机处 理所获取视觉信息的技术。,百闻不如一见,One picture is worth more than ten thousand words. Anonymous,嫦娥一号传回的月球表面图,PS虎,平面虎,真虎?,课程相关,主要教材,朱虹. 数字图像处理基础.北京: 科学出版社, 2005 陈兵旗,孙明.Visual C+实用图像处理专业教程.北京:清华大学出版社,2004,参考教材,井上诚喜(白玉林 译
2、)C语言实用图像处理.北京:科学出版社 陈三明.图像处理技术Photoshop经典实验教程.北京:电子工业出版社 余成波.数字图像处理及Matlab实现.重庆大学出版社 唐良瑞. 图像处理实用技术.北京:化学工业出版社,教学网站,http:/ 提供课件,图像处理部分源代码,素材等下载和在线答疑 或者从教务处,左上网络课程进入,课程成绩,平时:20-30% 期末:80-70% 图像处理软件和系统的编写 如人脸识别,手写阿拉伯数字识别,,思考题,现有1000个苹果和10只箱子,一个箱子可以装任意个苹果。现在把这1000个苹果放在这些箱子里,请问什么样的分配方法能够让我们任意要多少个苹果(=1000
3、),都可以整箱的拿给我呢?,第一章 绪论,一、图像的概念 二、图像处理的概念 三、图像处理系统结构 四、图像处理的内容 五、图像处理的应用举例,一、图像的概念,图像是对客观存在的物体的一种相似性的生动模仿或描述。是物体的一种不完全、不精确,但在某种意义上是适当的表示。 对于可见光图象,它是外界光源照射能量与物体或场景表面反射特性综合作用的结果。,二、图像的概念 图像模型,物体,图像,数学 函数,不可见的物理图像,可见的图像,光图像,照片、图、画,2维条码,照片,图、画,二维条码,数学函数 分形(艺术)图,数学函数 分形(仿真)图,不可见图像,红外图像 (美国攻打阿富汗),脑部CT图,为什么蚊子
4、能在漆黑的夜晚叮咬人? 为什么斗牛士斗牛时用红布?,伽马射线成像(核医学和天文观测,PET(正电子放射断层) X射线成像(医学诊断,天文学) 紫外波段成像(平板印刷技术,“荧光显微镜”技术) 可见光及红外波段成像 微波波段成像(雷达) 无线电波成像(医学诊断,天文学) 其他图象成像模式(主要是声波),PET,伦琴因发现X射线获得 首届诺贝尔物理学奖。,红外图象,超声图象,二、图像处理的基本概念,数字图像处理 计算机视觉 计算机图形学,图像处理,模拟图像处理 数字图像处理,1模拟图象处理(光学图像处理等)? 用光学、电子等方法对模拟信号组成的图像,用光学器件、电子器件进行光学变换等处理得到所需结
5、果(哈哈镜、望远镜,放大镜,电视等)。,2数字图像处理 先用某种技术和手段将模拟图像信号数字化,然后用电子计算机对数字图像进行分析和变换,达到预期的效果的技术总称。,数字图象处理的应用主要有三方面的因素需要考虑:存储器的容量,计算速度,传输带宽,数字图象处理的优点,综合能力强:可充分利用通讯、计算机、电子、数学、物理等学科的理论和技术。,数字图象处理的特点,数字图象处理的缺点,如果不作任何的“深”加工处理,比如编码压缩,则: 一页书:2000字*2约4K大小; 一幅普通图像:1024*1024*3约3M; 一份分钟的活动图象:512*512*3*25*60=1179.7M (19.7M字节每秒
6、,157.3Mbps),数字图像处理功能分类,1.将一幅图像变为另一幅经过加工的图像,是图像到图像的过程。 2.将一幅图像转化为一种非图像的表示,如数据,符号,动作等。,图像到图像,图像到其他类型信息,这是一辆敞车,这是一辆罐车,计算机视觉,机器视觉的目的是发展出能够理解自然景物的系统。在机器人领域中,计算机视觉为机器人提供眼睛的功能。 目前,机器视觉领域的研究中,一个主导方向是计算机测距等物理测量。,机器视觉 示例,需要一块三角形的积木,人眼视觉的缺点,1 人只能感觉可见光波段能量,对其它波段不敏感; 2 人眼视场角固定,空间分辨率和灰度分辨率有限; 3. 人眼有积分效应,对单次图象瞬间变化
7、,快速运动图象分析,存储困难;4 准确测量图象参数能力较差;,视觉错觉,请盯着中间那个黑色的十字,10-30秒钟以后粉红色的点点会不见啦!只看到绿色的点点在动,眼睛注视中间的黑点 头前后移动,柱子是圆的还是方的?,图中几个人?,她在画中还是在房里?,计算机图形学,用计算机将由概念所表示的物体(不是实物)图像进行处理和显示。 侧重于根据给定的物体描述模型、光照及想象中的摄像机的成像几何,生成一幅图像。 包括称之为 “计算机艺术”的艺术创作。 目前的一个主导研究方向是虚拟现实技术。,计算机图形学示例, 具有逼真感, 虚拟光照,三 图像处理系统结构,3.1 基本结构,图像处理系统示意图,3.2 硬件
8、组成 (图象获取设备),基于计算机的图像处理系统的硬件一般包括图像输入设备、图像输出设备(打印机)、计算机和显示器。我们主要讲图像输入设备。,图像获取,图像获取设备?,1) 摄像机(Video Camera) 摄像机是目前使用最广泛的图像获取设备。摄像机的核心部件是光电转换装置,也称为固态阵。目前大多数感光基元多为电荷耦合器件CCD(Charge Coupled Device),CCD可以将照射在其上的光信号转换为对应的电信号。该设备小巧、 速度快、成本低、灵敏度高,多作为实时图像输入设备应用。但灰度层次较差、非线性失真较大、有黑斑效应,在使用中需要校正。目前,CCD摄像机可达19201035
9、的高分辨率,快门速度可达10-4s。,线扫描CCD器件,20481,波长响应取线,线扫描摄像机,常规 模拟摄像机,一种针孔摄像机,红外热象仪,所拍摄的红外图像,探测器类型 整体热敏电阻焦平面 探测器材料 多晶硅 分辨率 320x240 响应波段 814um 温度稳定器 热电 温度分辨率 在30度时0.1度 空间分辨率 1.0rmad 启动时间 =7s 工作环境温度 -20度60度 存储温度 -40-70度 图象显示 白热/黑热 帧频 50帧/s 电源 5-10VDC 重量 1.2kg,使用铁红坐标系显示温度的伪彩色图象,一种数码相机,注1:应该指出的是传统的胶片相机和摄象机仍有其优势,特别是在
10、分辨率上目前的数码影象采集设备还有相当的差距,例如传统的35mm胶卷数字化需要至少40004000分辨率以保持原有的信息,目前这种层次的专业级数码相机还十分昂贵,难以普及,更不用说如此巨大的数据量在存储和处理上的所面临的挑战是艰巨的。,注2:3CCD与单CCD的区别 3CCD的摄像机内设有三棱镜,此三棱镜把光源分为三原色光(红色,绿色与蓝色),三原色光分别经过三块独立CCD影象感应器处理,颜色的准确程度及影像质量比使用一块CCD影像感应器大为改善。使CCD影像感应器的每一个都有一个很大的光线采集区域,因此使摄像机具有很高的信噪比,极好的敏感度以及很宽的动态范围。,2) 扫描仪(Scanner)
11、 扫描仪是将各种形式的图像信息(如图片、 照片、 胶片及文稿资料等)输入计算机的重要工具,特点是精度和分辨率高。目前,1200DPI(Dot Per Inch)以上精度的扫描仪很常见。而且扫描仪的成本很低,一台平板式扫描仪的价格在千元左右。由于扫描仪良好的精度和低廉的价格,已成为当今应用最为广泛的图像数字化设备。但用扫描仪获取图像信息速度较慢,不能实现实时输入。,扫描仪的几个重要指标有:分辨率、量化精度。容易忽略的指标有光罩、CCD/CIS。 扫描仪中最常见的,就是关于分辨率的标示。一般都会标示出光学分辨率,如600 1200DPI。DPI是扫描仪的分辨率单位,指的是dot per inch,
12、即每英寸采样的点数。600是水平分辨率,1200是垂直分辨率。水平分辨率是感光器(CCD或CIS)的分辨率,而垂直分辨率则指的是步进马达的最小步距,即每次扫描灯管在步进马达的带动下在垂直方向上可移动的最小距离,也就是1/1200英寸。(类似于针式打印机)。垂直分辨率又常称作LPI,即line per inch. 另一个则是最大分辨率,如9600 9600DPI,指的是内插分辨率即使用图像内插的方法能达到的分辨率,实际上并没有增加任何被扫描物件的信息,因此所增加的分辨率对原来的图像而言,是没有意义的。,扫描仪的量化精度指的是每个像素的最大量化能力,比如30bits/pixel 指的RGB各有10
13、bits的量化能力。理论上讲,可取样的位数越大,代表扫描仪能表现出更多样的颜色。 不过扫描仪的真正的取样能力,不在于色彩取样的多寡,而是在于所拥有的扫描浓度(Density)范围。所谓的浓度是指扫描仪所能分辨出的明暗范围,一般由0至4表示。其中,0代表纯白,4代表纯黑。量度的方法为对数形式,因此3.0与2.0的差异足足10倍之多。如果一个扫描仪可分辨0.2(Dmin)到3.1(Dmax)的浓度,就表明在此范围内,它才拥有宣称的色彩取样能力。,光罩:一般扫描物件大多是反射稿的形式。如果扫描底片、投影片或幻灯片,就需要投射光,发出透射光的光源称作光罩(Transparen -cy Adapter)
14、。光罩必须发出稳定且均匀的光,有时它的价格可能超过扫描仪的价格。 CCD与CIS(Contact Image Sensor):传统的CCD扫描仪,来自扫描件的光线在通过复杂的镜片、透镜组成的路径后,最后成像于CCD上。因此CCD扫描仪一般体积较大,但高级的扫描仪一般都是CCD的。CIS扫描仪则去除了复杂的光学系统,使用一列感应光线的传感器。 RGB三色发光二级管(Led)所组成的白色光源,经扫描件反射后,经极短的路径,便能到达传感器成像。因此CIS扫描仪在体积和耗电量上都小。,扫描仪与计算机的接口方式 (1)扫描仪+并口 (2)扫描仪+SCSI卡 (3)扫描仪+USB接口 (4)扫描仪+139
15、4接口(或接口卡),克里奥 iQSmart扫描仪 传感器:CCD平台式 最大分辨率(光学): 5,50010,000dpi 最大分辨率(插值): 10,000dpi 颜色深度: 16bit 最大密度:4.1 密度范围:3.9 接口方式:IEEE1394,Panasonic 2045c高速扫描仪 传输速度:20MB/s 接口方式:Ultra SCSI 耐久度:大约500万张 最大扫描幅面:A4 扫描速度:200dpi时, A4双面2秒钟, 核心部件是CCD图像传感器, 主流机型分辨率已在500万像素以上。数码照相机的感光器件也是CCD阵列。CCD可以对亮度进行分级,但并不能识别颜色。为此,数码照
16、相机用红、绿和蓝三个彩色滤镜,当光线从红、 绿、 蓝滤镜中穿过时,就可以得到每种色光的反应值,再通过软件对得到的数据进行处理,从而确定每一个像素点的颜色。CCD生成的数字图像被传送到照相机的一块内部芯片上。该芯片负责把图像转换成相机内部的存储格式(通常为JPEG格式)。最后, 把生成的图像保存在存储卡中。 ,3) 数码照相机(Digital Camera)?,4) 遥感图像获取设备 遥感中常用的图像获取设备有光学摄影设备, 如摄像机、 多光谱像机等; 红外摄影设备,如红外辐射计、 红外摄像仪、 多通道红外扫描仪、 多光谱扫描仪(MSS);微波设备,如微波辐射计、 侧视雷达、 真空孔径雷达、 合
17、成孔径雷达(SAR)。,通常图像输入卡安装于计算机主板扩展槽中, 主要包括图像存储器单元、 显示查找表(LUT)单元、 CCD摄像头接口(A/D)、 监视器接口(D/A)和PC机总线接口单元。现在有的图像采集卡将图像和图形功能合为一体。,2. 图像输入卡(采集卡),工作过程如下:摄像头实时或准实时采集图像数据, 经A/D变换后将图像存放在图像存储单元的一个或三个通道中,D/A变换电路自动将图像显示在监视器上。通过主机发出指令, 将某一帧图像静止在存储通道中, 即采集或捕获一帧图像,然后可对图像进行处理或存盘。高档卡还包括卷积滤波、FFT(快速傅立叶变换)等图像处理专用的快速部件。,3. 显示卡
18、 显示卡是记忆和保存图像的地方, 通常, 存贮的图像要随时显示在显示器上。PC机多采用800600或1024768个像素点。通常在图像处理装置中, 灰度值红(R)、 绿(G)、 蓝(B)各占8位(bit), 共计24位,可以表示1670万种颜色, 这种显示卡称为真彩色显示卡。,4. 计算机 图像处理的主要特点是数据量大、运算时间长,因而对系统硬件配置要求较高。目前,在PC机上配置奔腾P4 2.4 G以上CPU、512 MB内存、 80 G以上硬盘的计算机已属常见,计算速度大幅度提高,可与几年前的大型机媲美。为了加快图像的显示和处理速度,用于图像处理的PC机配置应尽可能高一些。当然,有条件时最好
19、采用图形工作站进行图像处理。,5. 图像存贮装置 图像数据量庞大,早期其存储成为问题。到目前为止, 除了大容量磁盘可供存储图像数据之外,MO、CD、DVD等光学存储装置以及SAN、NAS等网络存储系统,为存储海量图像数据提供了极好的支持。,四、图像处理的基本内容,图像处理的主要研究方向,四 图像处理的主要研究方向,图像的数字化 图像增强与清晰化 图像的几何畸变校正 图像的融合 图像的检索,图像的隐藏 图像的编码 图像的三维重建 图像的识别 图像的修补,(1)图像的获取表示表现,采样 量化,图象增强,对图像进行增强或修改,以改变或强调图像信息的某些特点,低照度下的景物清晰化,光照不均,运动模糊图
20、像的清晰化,散焦模糊图像的清晰化,图像的几何变换,放大、缩小、旋转,配准,几何校正,面积、周长计算。,图像的几何畸变校正,图像的融合 变景深图像的拼接,图像的融合拼接效果比较,手工拼接效果,图像的融合远、近景聚焦融合,商标检索,图像压缩编码示例,真彩图 64色图 16色图 256*256*3=196.6K 256*256*6/8+64=49.2K 混合编码=3.15K 数据量 1:1 3.996:1 62.41:1,图像隐藏示例,图象重建,http:/ 划痕,去红眼,照片划痕的修补,照片中特定物体的去除,五 数字图像处理应用 ?,宇宙探测,遥感,军事,公安, 生物医学,工业生产, 机器人视觉,
21、通信,娱乐。,图象处理最先应用于空间探索,地球资源勘探,遥感,遥感:美国JPL实验室(Jet Propulsion Laboratory) 探索者月球图像 勇气号火星图像 再如农作物产量计算 农作物病情防治 山林防火等,A Closer View Of The Craters Intriguing Rock Outcrop,http:/marsrovers.jpl.nasa.gov/home/index.html,遥感图片,视觉监控,视觉监视、公安: 银行防盗,人脸识别等。,工业检测,工业检测与测量: 公路路面破损图像识别,网 裂,龟 裂,高精度制导,军事侦察、高精度制导,Chinese_em
22、bassy,医疗诊断,医疗诊断: 超声成像,X射线,CT技术,癌细胞识别等。,X-Ray,超声图象,通讯,通讯: 可视电话,3G,视频点播等,图象传输。,公共服务,影视业、娱乐、公众服务: 广告,基于内容检索等。,动画,广告设计,计算机合成图像,六 几个小项目的介绍(来自网络),火车识别系统 二维条码身份证系统 彩色CT系统 印章真伪鉴别系统 印刷缺陷检测系统 视频与图像的大雾清晰化 视频监视系统 视频跟踪系统,火车识别系统,系统概况:对开过来的一列货车,判别是否挂有棚车,如果有,棚车的车门是否关闭并上锁(铅封),目标:当目标经过检测点时可实时检测其装载状态,铅封,火车识别系统 铅封,火车识别
23、系统 现场,安装现场,火车识别系统 光电开关,图像采集用的光电开关,tain-tain in-tain,火车识别系统 硬件系统,图像采集并最终判断车门的开闭,火车识别系统 不同车型的特征分析,决策: 是否棚车 车门状态,火车识别系统 车门状态判别,火车识别系统 车门的关闭状态,车门为关闭状态,火车识别系统 车门的打开状态,车门为开启状态,二维条码身份证,系统概况:给身份证一种防伪的手段,要求伪造困难,识别可靠。还有一点就是实现方便,成本低。 主要技术: 二维条码的编码与解码 图像压缩,图像识别,二维条码身份证 证件照片的获取,二维条码身份证 防伪认证,三维彩色CT技术,CT是目前使用非常广泛的
24、医学影像技术,该技术可以很大程度地辅助医生进行科学的手段。 为了提高早期诊断率,影像的处理成为非常重要的课题。,三维彩色CT技术 多窗伪彩,多窗伪彩色增强,三维彩色CT技术 多器官三维成像,多器官三维成像,三维彩色CT技术 三维伪彩显示,单器官伪彩显示,多器官伪彩显示,三维彩色CT技术 观察角度的选择,面绘制与体绘制的结合,印章的真伪鉴别,印章的真伪鉴别难点是: 相同印章所加盖的印鉴是不同的; 伪造技术高,导致逼真程度高; 印鉴加盖在有底纹的凭单或文件上。,2004年挑战杯课题,获2005年西安市大学生软件竞赛银奖,陕西省挑战杯一等奖,印章真伪鉴别系统 系统界面,印章真伪鉴别系统 适应不同的底
25、纹,不同颜色的底纹和不同形状的印章,印章真伪鉴别系统 适应不同的盖印质量,不同的印鉴加盖质量,返回,印刷缺陷检测系统 自动分幅,: :,自动分幅,印刷缺陷检测系统 色偏检测,色偏检测,印刷缺陷检测系统 刀丝检测,刀丝,刀丝检测,检测结果,印刷缺陷检测系统 印刷不实,标准,印刷不实检测,印刷缺陷系统 污点检测,污点检测,印刷缺陷检测 条码污损的检测,无缺损,有发丝,检测结果,大雾的清晰化,能见度降低的原因: 景物到镜头之间有许多悬浮的细小水珠颗粒,形成了一个半透明的膜; 画面因这个覆盖的半透明膜而对比度降低,使得景物细节退化。,大雾的清晰化 大雾建模方法,处理方法 1)去除大雾悬浮水珠膜的影响。
26、,原图 清晰化处理结果,大雾的清晰化 增强对比度方法,处理方法 2)增强画面对比度,提高能见度。,原图 局部块重叠的直方图均衡化,视频清晰化,视频清晰化的问题: 实时性的要求,需要算法简单,数据量小。 核心算法为经典直方图均衡化方法 问题: 1)灰度级归并问题; 2)减少数据量的问题。,大雾的清晰化 视频清晰化,直方图均衡化的过增强 细节恢复,大雾的清晰化 视频清晰化,后续帧原图,相同点的复制增强,大雾的清晰化 视频清晰化,返回,视频监视 车流检测,车流量检测实际上是利用监视用的电子警察,获得当前时候,通过某个监视路段的车辆情况。,视频监视 车流检测,功能如下: 背景提取; 背景更新; 目标车
27、辆提取; 目标车辆标识别; 车流检测。,视频监视 车流检测中的背景提取,采用最大出现频度法进行提取背景。,视频监视 车流检测中的背景更新,视频监视 车流检测中的车辆提取,背景差 车辆预提取,车辆阴影部分 车辆提取结果,视频监视 车流检测中的车辆标识,车流检测中的分区检测,系统演示,视频监视 停车场监视,停车场监视系统要完成两个监视功能: 车位的空满状态监视 车辆是否违章状态的监视,视频监视 停车场监视,停车场监视的违章情况,停车场监视的显示,停车场监视的占位判断,停车场监视的违章判断,返回,视频跟踪 实验系统,监视目标,计算机,摄像头,云台,视频跟踪 系统控制框图,视频跟踪 目标位置概念,原图,目标位置,视频跟踪 动态跟踪效果,视频跟踪 人物跟踪,目标的跟踪 要求对所判定的目标可以进行快速的跟踪,要求镜头随目标的移动而跟踪移动。在目标特征发生变化时,仍旧可以锁定目标。,返回,玻璃瓶质量在线检测系统,票据号码及条码的OCR/OCV系统,课程安排(授课计划),第一周:数字图像处理基本概念和软件 第二周:图像增强 第三周:图像几何变换 第四周:图像复原(噪声抑制) 第五周:图像锐化 第六周:图像分割,二值图像处理 第七周:彩色图像处理 第八周:图像变换,压缩编码,联系方式,E-mail: TeL: 84315435,
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